CN110461221A - 用于进行手术的机器人辅助的外科导板系统 - Google Patents

Abstract

一种外科系统，包括：床，沿着主方向延伸；机械臂，设置在床附近；以及外科导板，附接到机械臂。床具有支撑患者的台面，机械臂是可控制的以相对于所述患者的身体移动，并且，外科导板能够保持外科器械并且当所述外科器械移动穿过外科导板时测量外科器械的平移。机械臂被配置成将外科导板定位到与患者的靶向区域相关的期望的位置。

Description

用于进行手术的机器人辅助的外科导板系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月3日提交的申请号为62/572,986的美国临时申请、于2018年2月7日提交的申请号为62/627,565的美国临时申请以及于2018年10月15日提交的序列号为16/160,575的美国申请的优先权，这些全部申请整体通过引入并入本文。

技术领域

本公开总体涉及医疗系统领域，并且特别地，涉及可以与成像装置或系统结合使用的机器人辅助的传感器化外科导板。

背景技术

任何类型的手术都对患者的健康有风险。在外科手术期间，进入患者体内的靶向区域可能困难，可能需要在重要的动脉和器官周围进行精确导航。外科医生需要进行更安全和更有效手术的通用助手。

发明内容

简而言之，并且概括地说，本公开涉及用于执行机器人辅助手术的系统和方法的各种实施例。该系统可以包括放射成像装置或系统、支撑患者的床、设置在放射成像系统附近的机械臂以及传感器化外科导板，该传感器化外科导板附接到机械臂、保持外科器械并且测量外科器械沿着介入轴线的平移以及外科器械围绕介入轴线的转动。在使用中，确定介入点轴线并且机械臂将传感器化外科导板定位成与介入点轴线对齐，使得可以将外科器械引导到患者的靶向区域。

通过以下结合附图的详细描述，其它特征和优点将变得显而易见，附图通过示例的方式示出了各个实施例的特征。

附图说明

图1示出根据本发明的实施例的包括放射成像系统和附接到机械臂的传感器化外科导板的示例性外科系统；

图2示出根据本发明的实施例的包括放射成像系统和附接到机械臂的传感器化外科导板的另一示例性外科系统；

图3示出根据本发明的实施例的具有铰接结构的示例性传感器化外科导板；

图4示出根据本发明的实施例的用于定位在远侧导板中的套管和定位在近侧导板和套管中的外科器械的图3的传感器化外科导板；

图5示出根据本发明的实施例的包括设置在传感器导板的远端上的距离传感器的示例性传感器化外科导板；

图6示出根据本发明的实施例的包括警告外科医生外科器械在患者体内的深度的深度指示器的另一示例性传感器化外科导板；

图7示出根据本发明的实施例的附接到机械臂、具有大致U形形状的示例性传感器化外科导板；

图8至图12示出根据本发明的实施例的使用外科系统进行外科手术的示例性步骤，该外科系统包括放射成像系统和附接到机械臂的传感器化外科导板；

图13A和图13B是根据本发明的实施例的示出外科医生在手术期间使用的荧光透视图像和指示器的外科系统的显示器的示例性屏幕截图；

图14示出附接到机械臂的传感器化外科导板的另一示例性实施例；

图15至图18示出根据本发明的实施例的使用包括图14中所示的传感器化外科导板的外科系统进行外科手术的示例性步骤；

图19是根据本发明的实施例的来自示出荧光透视图像和彩色条形码的外科系统的显示器的示例性屏幕截图，该彩色条形码指示外科器械与靶向区域之间的距离；

图20是根据本发明的实施例的图7中描绘的传感器化外科导板的示意图；

图21A和图21B是示出根据本发明的实施例的传感化外科导板的表面读取器看到的内容的示例性图片；

图22是示出根据本发明的实施例的使传感器化外科导板的快门通电的示意图；

图23A和图23B是示出根据本发明的实施例的传感器化外科导板的快门组件的示意图；以及

图24是根据本发明的实施例的手术期间控制使用外科器械的过程的流程图。

在认为合适的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示对应的或类似的元件。此外，附图中描绘的一些块可以被组合成单个功能。

具体实施方式

在下面的详细描述中，阐述许多具体细节以便提供对本发明实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它情况下，没有详细地描述公知的方法、过程、组件和电路，以免模糊本发明。

本文公开的每个特征和教导可以单独使用或与其它特征和教导结合使用，以提供包括放射成像系统以及床的外科系统。参照附图进一步详细描述单独和组合地使用许多这些附加特征和教导的代表性示例。

参照图1，外科系统10包括放射成像系统12、机械臂14、传感器化外科导板16和床18。系统10既可用于医学应用中也可用于兽医应用中来进行放射成像和机器人辅助手术。放射成像系统12用于至少观察手术靶向区域周围的患者的一部分。在各个实施例中，传感器化外科导板16可以与解剖、闭塞、收缩、抓握、能量(例如，激光)、超声波、照相机等有关的各种外科器械一起使用。外科器械可以被标记为不透射线，从而在使用放射成像系统时它更加明显。另外，外科器械可以包括内部或外部指示外科器械长度的附加标记。在一个实施例中，机械臂14以相对于患者的确定的位置和角度将传感器化外科导板16进行定位以便使外科医生在介入期间将传感器化外科导板用于一组外科器械。传感器化外科导板16可以包括测量任何插入的外科器械沿介入轴线的平移或围绕介入轴线的转动的至少一个传感器，这可用于连续监测插入的外科器械的插入深度。因此，放射成像系统和传感器化外科导板可以持续向外科医生提供关于插入的外科器械在患者体内的位置的反馈。该系统还可以包括具有图形用户界面和导航软件的显示器，该导航软件能够从放射成像系统获取图像并且参考通过传感器化外科导板提供的外科器械的位置和方向。在另一实施例中，该系统可不包括放射成像系统。

特别地，放射成像系统12适合于执行包括但不限于X射线、CT扫描和X线透视的放射成像检查。在一个实施例中，成像系统包括适于控制放射成像系统的控制单元。床18沿主方向20(如图2所示)延伸并且具有用于患者的支撑表面。在一个实施例中，放射成像系统12包括门架22，该门架22适于对患者的至少一部分执行放射成像并且限定适于容纳床18的至少一部分的分析区域24。例如，门架可以具有如图1和图2所示的圆形形状，该圆形形状适合于容纳床18和患者的至少一部分。此外，图2的实施例中所示的放射线成像系统包括适于支撑门架22的承载结构26。

如图2所示，其是部分切除的，门架22包含用于执行放射扫描的各种组件。门架22中包含的组件的实例包括但不限于以下内容。源28适于发射辐射，例如X射线。门架还可以包括至少一个检测器30，该检测器30适于接收源28发射的辐射并且适于基本上置于床18的与源相对的一侧。此外，门架22可以包括适于至少部分地包含上述组件的壳体32，并且壳体可以根据需要包含附加组件。特别地，检测器30适合于检测在扫描期间穿过患者身体的辐射(例如，X射线)。在一个实施例中，检测器30可以包括诸如平板和/或线性传感器的传感元件。在其他的实施例中，系统可以不包括门架，并且源和检测器的位置可以限定分析区域。

如图2的示例中所示，承载结构26包括适于支撑门架22的底座34。在一个实施例中，该结构包括适于使门架22沿大致平行于主方向20的滑动方向移动的平移组件36。此外，该结构可以包括轮38，轮38适于在移动系统10时在地板上滚动，可以是枢转轮。

在一个实施例中，平移组件36包括线性导板40，其适于控制沿大致平行于主方向20的滑动方向的平移运动。平移组件36可以包括适于沿线性导板40滑动的滑动架(carriage)42。在一个实施例中，滑动架在电动机的帮助下沿直线导轨移动。任何合适的机构可以用于手动或机械地/自动地移动门架22。

在一个实施例中，放射成像系统包括适于使门架22围绕转动轴线转动的转动装置(未示出)，该转动轴线大致垂直于主方向20，并且具体地，大致垂直于地板。转动装置可以包括整体附接到滑动架42的第一板。转动装置还可以包括整体附接到门架22的第二板。此外，旋转装置可以包括具有销、轴承或其它已知的机械元件的旋转组件(未示出)，该旋转组件适于使第二板，由此使门架22相对于第一板并因此相对于放射成像系统12的其余部分绕旋转轴线旋转。旋转装置还可以具有适于操作者握持以控制门架22绕轴线转动的控制杆或其它机构。手柄或任何其它类型的夹具可用于控制门架22绕轴线旋转。

在一个实施例中，旋转装置和控制杆使门架22以至少两种配置设置。一种可能的配置是门架22大致垂直于主方向20的工作配置。另一种可能的配置是门架22大致平行于主方向20的静止配置。在静止配置中，床可能不再附接到成像系统。旋转装置和控制杆还可使门架处于相对于主方向20的各个其它位置和角度。机械臂也可以置入机械臂不伸展并且使整个系统更容易运输的静止配置。

专利号为10,016,171的美国专利中公开了成像系统的一个示例，该美国专利的全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。在一个实施例中，检测器30在进行断层造影术、荧光透视、射线照相和多模态中的至少一个时检测辐射，并基于所接收的辐射生成数据信号。此外，在一个实施例中，至少一个检测器包括至少一个平板传感器和/或至少一个线性传感器。在至少一个检测器是平板传感器的示例实施例中，平板传感器可选择地至少在例如通过激活优选地大致垂直于孔的轴线的一个或多个像素行来获得的平板模式和线性传感器模式下可操作。在本文的其他的示例实施例中，传感器在平板模式下执行透视和断层造影术中的至少一种，并且在线性传感器模式下执行射线照相和断层造影术中的至少一种。专利号为9,510,793的美国专利以及序列号为14/323,861、14/800,659和14/821,227的美国申请中公开了成像系统的另一示例，该美国专利以及美国申请中的每一个通过引用整体并入本文，如同在本文中完全阐述一样。因为机械臂14和传感器化外科导板16可以附接到这些参考的成像系统中的任何一个的一部分，所以本申请中公开的系统可以包含在这些参考的申请中公开的任何成像系统。

机械臂14和传感器化外科导板16可以用于各种其它成像装置或系统，例如MRI装置。机械臂14和传感器化外科导板16可以被设计成使得机械臂附接到床18或成像系统以进行检查，然后可以在检查之后与床或成像系统分离。

如图1所示，机械臂14包括底座50和彼此连接的若干个臂段52。臂段52能够通过位于每个臂段之间的连接处的电机或单独的电机和齿轮相对于彼此转动和移动。底座可以附接到放射成像系统12或床18。机械臂的底座可以沿平行和垂直于主轴线的任何方向移动。在其它实施例中，底座50可以独立于放射成像系统或床定位，并且独立地定位在区域附近。在该实施例中，机械臂可以包括允许沿任何方向移动与患者相邻的适当位置的轮。该实施例中的机械臂的轮可以锁定就位。机械臂可以独立地定位在地板上，而不是连接到成像系统或床。在再一实施例中，机械臂的底座50可以可拆卸地附接到手术室中的成像系统、床或其它物体。底座可以容纳能够使一个或多个臂段移动的电机。最后臂段保持可以可拆卸地或永久地附接到机械臂14的臂段的传感器化外科导板16。

在一个实施例中，机械臂底座50可以安装在放射成像系统的底座34上。在该实施例中，机械臂底座在目标和/或床上沿着门架的相同平移方向移动。机械臂可以是模块化臂，该模块化臂可以从放射成像系统的门架轨道或任何其它安装点移除，这为了便于使用以及从放射成像系统安装和拆卸。根据一个实施例，模块化机械臂可以安装在(在踏板、轮等上)机动化的移动推车上，也可以由用户从一个位置手动驱动到另一个位置。根据另一实施例，模块化机械臂在固定点直接安装在门架上，或安装在与门架轨道分开的内部或外部轨道上或安装在放射成像系统的基座平台的任一端上。在又一实施例中，一个以上的模块化机械臂安装到放射成像系统。模块化机械臂中的每一个可以配备有用于执行特定任务的独特工具。

在一个实施例中，机械臂可以包括用于在与外科医生接触(自愿或不自愿)的情况下获得受控的顺应性的六个自由度力传感器。根据控制软件中的预设，可以沿介入轴线或沿任何其它轴线获得该顺应性。这些顺应性可用于使机械臂适应相对于套管和患者的位置。

系统10还可以包括与放射成像系统12、机械臂14和传感器化外科导板16通信的系统计算机或服务器。系统计算机或服务器还可以与显示器和图形用户界面通信。在一个实施例中，系统计算机包括导航软件，该导航软件能够参考介入点的轴线的位置和方向，并且指示机械臂14使传感器化外科导板16移动以与介入点的轴线对准。来自传感器化外科导板的与通过传感器化外科导板定位的外科器械的平移和旋转运动相关的数据可以被发送到系统计算机，以便监测外科器械在患者体内的移动。来自放射成像系统12的图像也可以被发送到系统计算机并显示，这可以使外科医生查看待治疗的靶向区域。利用来自放射成像系统的图像，导航软件可以使外科医生找到介入点的最佳轴线。来自患者监测或跟踪装置的任何数据也可以被发送到系统计算机。还可以标记或涂覆外科器械，从而在使用放射成像系统时使其更加明显。在一个实施例中，外科器械是不透射线的。在一些实施例中，传感器化外科导板16可以仅识别具有特殊标记等的某些器械。因为处理测量的软件可以识别特定仪器并加载相关校准表，所以以这种方式可以更精确地校准系统以提供更准确的平移和旋转测量。该结果可以通过使用(外科导板上的传感器可以识别的)涂覆纹理或通过RFID或其它嵌入式识别系统来获得。

图13A和图13B中示出与系统计算机和导航软件相关联的显示器200的实施例。如图13A所示，系统计算机可以显示来自放射成像系统12的图像204。此外，系统计算机上的导航软件可以显示介入点的轴线，甚至确定或帮助确定最安全和最有效的介入点轴线。如图13B所示，系统计算机还可以在显示器200上显示指示外科器械在患者体内的深度的彩色编码条202。指示外科器械深度的其它标记也可以显示在显示器上。手术团队可以选择待显示在显示器上的图像、信息或彩色编码条。

图3中示出传感器化外科导板16a的一个实施例。在该实施例中，传感器化外科导板包括附接到远侧或固定部分62的近侧或转动部分60。铰接部64可以将近侧部分附接到远侧部分。铰接部使近侧部分60相对于由远侧部分62限定的平面转动达180度。在一个实施例中，远侧部分62可以固定或刚性连接到机械臂14的最后臂段。近侧导板66设置在近侧部分60上，远侧导板68设置在远侧部分62上。近侧导板和远侧导板具有彼此对齐的通孔70、72。在一个实施例中，近侧导板和远侧导板都包括滚珠轴承74和76。滚珠轴承有助于使外科器械通过近侧导板和远侧导板平移。此外，滚珠轴承可以是弹簧加载的，以对通过导板滑动的任何仪器施加压力。在其它实施例中，通孔70和72可以涂覆有低摩擦材料(如PET+PTFE，用于制药和食品用途)，而不是使用滚珠轴承。通孔70和72的直径可以具有不同的尺寸。例如，远侧通孔72的内径可以等于诸如套管的外科器械的外径。近侧通孔70的直径可以等于或略大于插管的内径，以便容纳可以通过插管而被插入的外科器械。在一个实施例中，通孔70的直径可以在约2mm至约15mm的范围内。

如图3所示，近侧导板66可以包括能够测量外科器械的平移的表面读取器69。表面读取器69还可用于测量外科器械的转动。在一个实施例中，表面读取器可以是光学导航芯片。表面读取器可以类似于PC鼠标中的传感器。在其它实施例中，表面读取器69可以包括设置在可移动的不透明表面上并被照亮的相机。在该实施例中，外科器械的表面移动由表面读取器69检测，并且X、Y正交数字信号可以由表面读取器输出作为移动的结果。在某些实施例中，光学导航芯片可以在串行线上提供X、Y位移，并且每次读取光学导航芯片时，重置X、Y寄存器。然后，读取器能够累积X、Y位移并重新缩放它们以进行预期的平移/转动测量。作为示例，正交信号可以用作两个增量编码器的等效物，并且通过其间的特定接口发送到计算机操作导航软件，其中这些信号可以用于实时监测外科器械在体内的穿透深度。

仅通过示例而非限制的方式，图4示出使用传感器化外科导板16a的一个实施例。在该示例中，转动近侧部分(未示出)以便通过远侧导板68的孔放置套管80。如上所述，远侧导板的内径的尺寸应当被设定成使得套管能够沿着远侧导板沿直线平移而不使套管摆动或以不平行于通孔72的角度移动。一旦套管就位，近侧部分就转动并锁定，使得导板66和68彼此对准。诸如夹具82之类的器械可以通过近侧导板66滑动并且进入套管80中。如图4所示，夹具的工作端可以伸出套管的远端。

在另一实施例中，如图5所示，传感器化外科导板16a可以包括在远侧部分62的远端上的至少一个距离传感器90，优选地，两个距离传感器90。距离传感器能够实时感测传感器化外科导板和患者皮肤之间的距离。在一个实施例中，距离传感器可以是飞行时间激光测距传感器。当传感器和患者之间的距离小于预定阈值时，可以产生警报信号，并将警报信号发送到机械臂14的控制器以激活安全功能。虽然阈值范围可以设置为任意距离，但是在一个实施例中，阈值范围可以从大约3mm至大约100cm。如果传感器和患者之间的阈值距离被突破，则机械臂可以被编程以沿着介入轴线远离患者移动，外科器械可以从传感器化外科导板释放，或者机械臂可以沿着插入点分离。在介入期间患者身体移动的情况下，这些安全特征可以防止传感器化外科导板16a与患者身体之间碰撞。

在另一实施例中，如图6所示，传感器化外科导板16a可以包括条形显示器92。条形显示器可以包括LED灯或其它照明器，该LED灯或其它照明器基于颜色或距离读取器(例如，条形图)指示导板与患者身体之间的距离或患者体内的外科器械的深度。在另一实施例中，条形显示器92可以包括以数值形式指示距离和深度信息的显示器。条形显示器指示的相同信息可以显示在监视器上，但显示器可能不在外科医生的视野中。由于这个原因，将条形显示器包括在传感器化外科导板上可能是有益的，使得在执行手术时，有关外科器械的深度的信息在外科医生的视野中。条形显示器上的深度指示器可以由运行导航软件的系统计算机驱动。

图7中示出传感器化外科导板16b的另一实施例。在该实施例中，传感器化外科导板16b通常是U形并且包括附接到远侧部分或固定部分102的近侧部分或转动部分100。诸如销或螺栓的枢轴104可以将近侧部分100附接到远侧部分102。枢轴使近侧部分100围绕枢轴的轴线在任何方向上转动360度或90度。如图7所示，远侧部分102可以连接到机械臂14的最后臂段上的端部106。机械臂的端部106或最后臂段可以能够围绕由机械臂的最后臂段形成的轴线转动360度，并且端部可以能够沿任何方向倾斜以调整传感器化外科导板的位置。近侧导板108设置在近侧部分100上，远侧导板110设置在远侧部分102上。近侧导板和远侧导板均具有沿着介入点112的轴线彼此对准的通孔。近侧导板108和远侧导板110可以与上面关于传感器化外科导板16a描述的近侧导板和远侧导板相同。以这种方式，近侧导板和远侧导板均可以包括滚珠轴承，该滚珠轴承有助于使外科器械沿着介入点的轴线112通过近侧导板和远侧导板平移。此外，滚珠轴承可以是弹簧加载的，以对通过导板滑动的任何仪器施加压力。近侧导板和远侧导板上的通孔的直径可以具有不同的尺寸。例如，远侧部分上的通孔的内径可以等于诸如套管的外科器械的外径。近侧部分的通孔的直径可以等于或略大于插管的内径，以便容纳可以通过套管插入的外科器械。在一个实施例中，通孔的直径可以在约2mm至约15mm的范围内。

此外，近侧导板108可以包括能够测量外科器械的平移的表面读取器或位移传感器109。如上所述，表面读取器或位移传感器也可用于测量外科器械的转动。上面关于表面读取器69描述的各种类型的表面读取器也可以与传感器化外科导板16b一起使用。

在一个实施例中，远侧部分102和机械臂的端部106之间的连接可以是可释放的连接，例如电磁连接。这种连接也可以是气动的、液压的等。在该实施例中，连接可以由系统计算机控制或者可以手动释放。在使用中，如果存在问题，则系统计算机或外科医生可以释放远侧部分102和机械臂的端部106之间的连接，以中止对套管或其它外科器械的机器人辅助保持。在其它实施例中，可以存在位于近侧导板108下方的任何位置的可释放连接件和位于远侧导板110下方的任何位置的单独的可释放连接件。如上所述，可释放连接件可以是电磁连接件、气动连接件、液压连接件等。类似地，该实施例中的可释放连接件在需要中止对套管或其它外科器械的机器人辅助保持的情况下可以由系统计算机控制或由外科医生手动释放。

在又一实施例中，近侧导板108和/或远侧导板110可以分别包括防止外科器械或套管移动的锁定机构。锁定机构可以由系统计算机控制，或者可以由外科医生手动启动。在某些实施例中，锁定机构可以是基于机械弹簧的装置或基于电磁线圈的装置。在使用中，如果传感器确定患者身体已经移动或者传感器化外科导板或机械臂突破到患者身体的阈值距离，则系统计算机可以激活锁定机构并防止套管或外科器械进一步平移。

仅通过示例的方式，在使用中，近侧部分100转动大约90度，以便通过远侧导板110的孔放置套管。如上所述，远侧导板的内径的尺寸应当被设定成使得套管能够沿着远侧导板沿直线平移而不使套管摆动或以不平行于介入点的轴线112的角度移动。一旦套管就位，近侧部分100就往回转动成其原始工作配置并锁定，使得导板108和110彼此对准。器械可以通过近侧导板108滑动并且进入保持在远侧导板110内的套管80。外科器械的工作端可以伸出套管的远端。

仅通过示例而非限制的方式，将使用传感器化外科导板16a来描述使用系统10的方法。然而，传感器化外科导板16a可用于代替传感器化外科导板16b。在一个实施例中，手术团队对患者进行诊断并确定需要从体内移除的缺陷或靶向区域，例如肿瘤。手术团队计划包括介入患者体内的点和角度的所需的手术。放射成像系统12可用于使患者身体的一部分可视化，以便计划手术并确定介入点和角度。在该示例中，手术团队计划从患者移除肿瘤。

作为初始步骤之一，患者被放置在床18上，并且身体的位置被扫描或以其他方式确定并存储在系统计算机中。患者的身体可以被绑住或以其它方式保持在适当的位置以防止在床18上移动。在一个实施例中，系统10可以持续地监测身体的位置或至少监测患者的靶向区域。这可以通过读取附接到患者身体的传感器，例如红外(IR)传感器或可以由导航软件系统监控的其他传感器来完成。可以使用监测距离和位置的其它技术，例如立体IR相机等。手术团队除了知道身体的位置或至少靶向区域之外，还通过系统计算机的用户界面输入介入点和角度。在一个实施例中，系统计算机和导航软件可以确定介入点的轴线。在系统计算机上运行的导航软件向机械臂14提供介入点、角度和介入方向(轴线)，机械臂14移动以沿着介入点的轴线并且在距离患者身体一定距离处放置传感器化外科导板16b(或16a)，如图7和图8所示。

在传感器化外科导板16b相对于患者的靶向区域适当对准的情况下，如图9所示，外科医生可以打开传感器化外科导板的近侧部分100。接下来，在一个示例中，如图10所示，外科医生可以通过远侧导板110插入套管针和套管114。然后，当机械臂14将传感器化外科导板16b保持就位时，医生可以将套管针插入患者体内，这使外科医生仅在插入点方向上移动套管针。一旦套管针刺入身体并且套管在体内的位置足够，外科医生就移除套管针的切割部分，留下套管。然后如图11所示，外科医生可以关闭传感器化外科导板16b的近侧部分100。在近侧导板108与介入点112的轴线对齐的情况下，如图12所示，外科医生可以使外科器械116通过近侧导板108插入到套管114中以进行外科手术。

可以连续地评估手术程序以监测外科器械相对于体内的靶向区域和其它结构(静脉、动脉、器官等)的位置。在一个实施例中，传感器化外科导板16b的位移传感器109读取外科器械的穿透深度并且将该信息发送到系统计算机上的导航软件。导航软件可以使用彩色编码条202或其它视觉刺激在显示器200上显示外科器械的穿透深度。在一个实施例中，如图13A和图13B所示，可以在显示器上显示2D荧光透视图像204以直观地监测手术图像的位置。外科医生可以在外科手术期间的任何时刻使用并拍摄透视图像，并且在其它实施例中，可以在外科手术期间连续拍摄透视图像，从而整个过程都可以在显示器上显示。对外科医生有用的其它信息也可以显示在显示器上。一旦外科手术完成，就将外科器械和套管从患者体内移除，并且机械臂14可以从系统10移除或者放置在非工作配置中，以便更方便的接近患者并且允许患者从成像系统12移除。

图14中示出传感器化外科导板16c的又一实施例。在该实施例中，传感器化外科导板16c包括具有近端122和远端124的保持器臂120，近端122附接到机械臂的最后臂段。如图14所示，保持器臂120通常为管状并且包括窗口126。近侧导板128设置在近端122附近并且可以在保持器臂120内移动。还存在设置在远端124附近的远侧导板130。近侧导板和远侧导板都具有沿着介入点132的轴线彼此对准的通孔。近侧导板108和远侧导板110可以与上面关于传感器化外科导板16a描述的近侧导板和远侧导板相似。以这种方式，近侧导板和远侧导板都可以包括滚珠轴承，该滚珠轴承有助于使外科器械沿着介入点的轴线132通过近侧导板和远侧导板平移。此外，滚珠轴承可以是弹簧加载的，以对通过导板滑动的任何仪器施加压力。近侧导板和远侧导板上的通孔的直径可以具有不同的尺寸。例如，远侧导板130上的通孔的内径可以等于诸如套管的外科器械的外径。近侧导板的通孔的直径可以等于或略大于插管的内径，以便容纳可以通过插管插入的外科器械。

此外，近侧导板128可以包括能够测量外科器械的平移的表面读取器。如上所述，表面读取器也可用于测量外科器械的转动。上面关于表面读取器69描述的各种类型的表面读取器也可以与传感器化外科导板16b一起使用。

仅通过示例的方式，现在将描述使用包括传感器化外科导板16c的系统10的方法。作为初始步骤之一，患者被放置在床18上，并且身体的位置被扫描或以其他方式确定并存储在系统计算机中。患者的身体可以被绑住或以其它方式保持在适当的位置以防止在床18上移动。在一个实施例中，系统10可以持续地监测身体的位置或至少监测患者的靶向区域。这可以通过读取附接到患者身体上的传感器来完成。可以使用监测距离和位置的其它技术，例如立体IR相机等。手术团队除了知道身体的位置或至少靶向区域之外，还使用系统计算机的用户界面输入介入点和角度。在系统计算机上运行的导航软件向机械臂14提供介入点、角度和介入方向(轴线)，机械臂14移动以沿着介入点的轴线132放置传感器化外科导板16c。

在传感器化外科导板16c相对于患者的靶向区域适当对准的情况下，外科医生可以通过窗口126将套管针和套管140插入保持器臂120，其中如图15所示，套管被送入并且穿过远侧导板130的管腔。然后，当机械臂14将传感器化外科导板16c保持就位时，医生可以将套管针插入患者体内，这使外科医生仅在插入点方向上移动套管针。一旦套管针刺入身体并且套管在体内的位置足够，如图16中所示，外科医生就移除套管针的切割部分，留下套管。一旦套管就位，如图17所示，近侧导板128可以在保持器臂120内移动并且固定到近端122附近的位置。近侧导板128可以固定在支架臂的切口部分内，或者在其它实施例中，近侧导板128可以通过使用抛光销和齿条和小齿轮齿轮移动进入和移动离开支架臂。

然后，外科器械141可以通过近侧导板128的管腔滑动并且进入保持在远侧导板130内的套管140。如图18所示，外科器械的工作端可以伸出套管的远端，进行外科手术。

可以连续地评估手术程序以监测外科器械相对于体内的靶向区域和其它结构(静脉、动脉、器官等)的位置。在一个实施例中，传感器化外科导板16c的近侧传感器128中的表面读取器读取外科器械的穿透深度并且将该信息发送到系统计算机上的导航软件。导航软件可以使用彩色编码条162或其它视觉刺激在显示器160上显示外科器械的穿透深度。在该实施例中，彩色编码条使用绿色、橙色和红色显示与靶向区域的距离，以告诉外科医生推进(绿色)、减慢(黄色)和停止(红色)进展。指针166可以显示在显示器上以指示外科器械的远端的当前位置。当推进外科器械时，声音和触觉刺激也可用于向外科医生提供反馈。而且，如图19所示，可以在显示器上显示2D荧光透视图像164以直观地监测外科器械的位置。外科医生可以在外科手术期间的任何时刻使用并拍摄透视图像，并且在其它实施例中，可以在外科手术期间连续拍摄透视图像，从而整个过程都可以在显示器上显示。对外科医生有用的其它信息也可以显示在显示器上。一旦外科手术完成，就将外科器械和套管从患者体内移除，并且机械臂14可以从系统10移除或者放置在非工作配置中，以便更方便的接近患者并且允许患者从成像系统12移除。

传感器化外科导板还可以在外科手术期间控制外科器械的使用。更具体地，传感器化外科导板上的测量插入的外科器械的平移和转动的表面读取器还可以读取外科器械本身的表面上的标记或图案。如果外科器械上的标记或图案表明仪器来自授权源或是授权类型，则快门组件使外科器械与传感器化外科导板一起使用。

现在参照图20，图20是根据本发明的实施例的传感器化外科导板16b的示意图。传感器化外科导板16b包括表面读取器109、活塞6、弹簧7和螺线管8。除了表面读取器109包括如上所述与PC鼠标传感器中使用的相似技术之外，表面读取器109可以是检测表面的移动(例如平移和转动)的小型摄像机。该摄像机可以以一定帧速率抓取表面的图像，并且表面取读器可以使用软件对这些图像进行处理以便了解表面的相对运动。相同的图像集也可以用于检测打印在表面上的图案，并且当检测到的图案与预加载的、授权参考图案匹配时，软件可以生成信号。(也可以混合两种功能(模式识别+平移和转动)或具有一种以上的读取器或相机(一种用于模式识别+一种用于平移和转动。)

图21A和图21B是示出根据本发明的实施例的传感化外科导板16b的表面读取器可以看到的内容的示例性图片。图21A示出正常表面；图21B示出图案化表面的示例。

检测到图案时生成的信号可以用于命令由活塞6、弹簧7和螺线管8组成的快门组件。快门组件可以是一种机电装置，其放置成在接到命令时阻塞外科器械路径4(如图20所示)。根据快门的实施例，阻塞可以是部分的或完全的。在一个实施例中，可以使用螺线管8和柱塞9来实现阻塞(图22、图23A和图23B中所示)。图22示出当螺线管8通电时，可以在螺线管内拉动柱塞9，从而打开外科器械路径4。

当螺线管8断电时，柱塞9的线性运动可以使活塞6移动，这部分地阻塞外科器械路径4。可以使用弹簧7保持该位置。当螺线管8通电时，柱塞9在螺线管8内被拉动并且将活塞6放置在使得外科器械路径4自由的位置。由螺线管8在柱塞9上产生的磁场应该能够克服弹簧7的阻力。图23A和图23B是分别示出传感器化外科导板16b的快门组件的实施例的断电状态和通电状态的示意图。

除了上述快门组件之外，还可以使用其他它快门组件，或可以使用其他它快门组件代替上述快门组件。快门可以具有可选的涂层例如硅树脂，以避免潜在的仪器损坏。快门的一个实施例可以包括膜片(iris)机构，例如沿周向折叠的照相机快门。快门的另一实施例可以包括封闭手术路径的开口的可充气或可放气的环形物。

现在参照图24，图24示出根据本发明的实施例的手术期间控制使用外科器械的过程的流程图500。在操作505中，传感器化外科导板16b是空的并且快门关闭，即，它阻挡外科器械的通道。在操作510中，外科器械可以由人或机器人或两者的组合插入到传感器化外科导板16b中。在操作515中，读取外科器械的表面。在操作520中，该过程询问外科器械是否经过授权，如果在外科器械上存在预授权的标记或预授权的图案，就会发生这种情况。如果外科器械经过授权，则在操作525中，可以对快门进行通电，从而开启外科器械路径。在操作530中，然后可以进行手术。另一方面，如果外科器械未经授权，则在操作535中，快门仍然处于断电状态，并且外科器械路径仍然阻塞，因此不允许使用传感器化外科导板16b进行手术。在另一实施例中，警告灯或声音可能被激活，从而警告外科医生试图使用未经授权的仪器。或者可以在系统监视器上显示具有这种警告或警报的消息。

除了图24中所示的操作以及它们在其它附图中的描述之外，预期其它操作或一系列操作以在手术期间控制外科器械的使用。例如，上述其它传感器化外科导板16、16a和16c中的每一个可以包括除了测量这种器械的平移和转动之外能够读取并识别外科器械上的标记或图案的表面读取器。可以改造快门组件，以便装配在所使用的特定外科导板的范围内。

授权图案可以是交叉线标记、表面粗糙化、字母或数字的排列，或标识外科器械制造商、外科导板制造商、包括其中相关的机器人的外科系统的制造商的一维或二维条形码或一些其它图案，或这些制造商的授权许可证，这取决于哪个实体希望控制手术进入。该图案还可以识别器械类型，以便能够允许或阻挡某些类型的外科器械。图案可以是激光或化学蚀刻在外科器械的表面上或以其它方式印刷在外科器械的表面上。该印刷可由外科器械制造商出售仪器之前执行或由由外科系统的授权用户在进行外科手术之前执行(使用授权的打印机和/或授权的打印软件)。图案还可以包括校准标记，使得平移和转动传感器可以与那些标记同步，以便提高精度。优选地，未经授权的实体不能复制识别模式。

代替或除了在外科器械的表面上使用图案或标记之外，感应和/或电容感测可以用于识别授权的器械。在该实施例中，读取器可以读取电感和/或电容识别。

代替或除了在外科器械的表面上使用图案或标记之外，系统可以使用射频识别(RFID)标签来识别授权的外科器械。在该实施例中，表面读取器还可以包括可以检测嵌入在外科器械中或外科器械上的RFID标签的RFID读取器。

表面读取器的这种功能的益处是防止使用具有外科系统或外科导板的未经授权的外科器械。未经授权的仪器可能不会具有与授权仪器相同的质量或精度，因此可能在手术期间对患者构成危险，可能不如授权仪器那样有效，或者可能无法利用外科系统的所有益处。未经授权的仪器也可能不进行校准，使得外科系统无法确定仪器行进的距离或仪器是否已转动。

上文描述的使用传感器化外科导板16、16a、16b和16c的系统10的各个实施例不限于任何特定手术，并且可以用于各种外科手术中。例如，系统10可用于骨水肿手术。根据不同的操作程序，传感器化外科导板16、16a、16b和16c可以与包括但不限于套管针、套管、剪刀、探针、激光器、单极RF装置、双极RF装置或多极RF装置、夹具、镊子、电动手术刀、超声换能器、照相机等的各种外科器械一起使用。外科系统10还可以与其它医学成像系统(例如MRI)一起使用。

以上讨论旨在说明本发明的原理和各个实施例。一旦完全理解上述公开内容，许多变型和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。旨在将以下权利要求解释为包含所有这些变型和修改。

Claims (16)

1.一种外科系统，包括：

床，沿着主方向延伸，所述床具有支撑患者的台面；

机械臂，设置在所述床附近并且是可控制的以相对于所述患者的身体移动；以及

外科导板，附接到所述机械臂，所述外科导板能够保持外科器械并且当所述外科器械移动穿过所述外科导板时测量所述外科器械的平移，其中所述机械臂被配置成将所述外科导板定位到与所述患者的靶向区域相关的期望的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括放射成像系统，所述放射成像系统包括源和至少一个检测器，所述源适于发射穿过所述患者的至少一部分的辐射，所述辐射限定传播的中心轴线，所述检测器适于接收所述辐射，其中所述源和所述检测器限定放置所述患者的至少一部分的分析区。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括与所述机械臂通信的系统计算机，其中所述系统计算机包括控制所述机械臂和所述外科导板的定位的导航软件。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述外科导板包括用于确定所述外科器械是否经过授权的读取器。

5.根据权利要求4所述的系统，其中当所述外科器械通过所述外科导板被送入时，所述读取器被配置成读取所述外科器械上的标记。

6.根据权利要求4所述的系统，其中如果确定所述外科器械经过授权，则当所述外科器械通过所述外科导板被送入时，所述读取器被配置成读取所述外科器械上的射频识别标签。

7.根据权利要求4所述的系统，其中所述外科导板进一步包括与所述读取器通信的快门组件，其中所述快门组件包括由螺线管控制的活塞，并且所述螺线管通电以使所述活塞移动以通过外科导板送入所述外科器械。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述外科导板包括连接到远侧部分的近侧部分，所述远侧部分连接到所述机械臂，所述近侧部分包括近侧导板，并且所述远侧部分包括远侧导板。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述近侧部分相对于所述远侧部分转动以将所述外科导板置于打开配置和闭合配置，并且在所述闭合配置中，所述近侧部分和远侧部分彼此对齐。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述近侧导板和所述远侧导板包括滚珠轴承。

11.根据权利要求8所述的系统，其中所述近侧导板包括用于检测所述外科器械的平移的读取器。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述读取器检测所述外科器械的转动。

13.根据权利要求8所述的系统，其中所述近侧导板包括用于确定所述外科器械是否经过授权的读取器。

14.根据权利要求13所述的系统，其中当所述外科器械通过所述外科导板送入时，所述读取器被配置成读取所述外科器械上的标记。

15.根据权利要求8所述的系统，进一步包括远侧传感器，所述远侧传感器设置在所述外科导板的所述远侧部分上以监测所述外科导板与所述患者之间的距离。

16.根据权利要求8所述的系统，进一步包括深度指示器，所述深度指示器设置在所述外科导板上以指示所述外科器械已插入患者体内的深度。